Quando pensamos na tecnologia automóvel do futuro, normalmente pensamos em combustíveis alternativos, seja o hidrogénio ou a energia eléctrica proveniente de baterias futurísticas. Acontece que o futuro pode, na verdade, ser uma nova forma de combustão interna: o motor de “pistão livre”.
Esta tecnologia remodela radicalmente os motores, substituindo o virabrequim que normalmente transfere a potência dos pistões por uma câmara de compressão e um turbo impulsor. Os motores de pistão livre apresentam o potencial de uma eficiência radicalmente melhorada. Os motores de pistão sem protótipos já são 50 a 60 por cento mais eficientes do que qualquer motor atualmente em produção – e há potencial para muito mais.
Como funciona?
Um pistão livre possui quase os mesmos componentes de qualquer motor de combustão interna. A principal diferença é como ele captura a potência da combustão.
Em um motor padrão, o combustível e o ar são injetados na câmara de compressão e inflamados. Essa combustão empurra para baixo o pistão, que está conectado ao virabrequim. Nos carros, a energia do virabrequim giratório passa por uma transmissão e chega às rodas motrizes.
Num motor de pistão livre, a combustão acontece da mesma forma, mas não há virabrequim. À primeira vista, isso parece loucura, já que os pistões ficam chacoalhando em seus cilindros. Mas isto é na verdade um golpe – sim, foi a intenção desse trocadilho – de genialidade. Ao opor horizontalmente dois cilindros e detoná-los simultaneamente, os pistões comprimem o ar entre eles. Esse ar é canalizado através de um compressor que se parece muito com um turboalimentador.
Embora seja tecnicamente possível acionar um eixo diretamente desta turbina, na prática esta turbina é aproveitada da melhor forma acionando um gerador elétrico.
A ideia para tal motor existe desde 1807, mas os desafios de fazer os pistões dispararem e mover-se simultaneamente impediram os projetistas de aproveitar ao máximo o motor de pistão livre… até agora.
As vantagens
Então, com esses desafios, por que se preocupar? Bem, tudo tem a ver com eficiência. Em um motor de combustão interna padrão, grande parte da potência é perdida na forma de calor e vibração. Os motores modernos a gasolina podem converter apenas 18 a 25 por cento da energia potencial do combustível que queimam em energia utilizável. Os motores a gasolina mais eficientes podem atingir momentaneamente até 35%, mas mesmo assim apenas em condições ideais.
Em um motor de combustão interna padrão, grande parte da potência é perdida na forma de calor e vibração.
A falta de um virabrequim no sistema de pistão livre significa que não há nenhuma das mudanças constantes de impulso que criam a vibração e o atrito que prejudicam a eficiência. Estas vantagens são evidentes há dois séculos, mas com a precisão da tecnologia moderna existe outra: taxas de compressão variáveis.
Com um virabrequim do tamanho da câmara de combustão, o comprimento do movimento do pistão é fixo. Em motores de pistão livre modernos e experimentais, o tamanho da câmara e a duração do curso de potência podem variar em tempo real, mudando de revolução em revolução, com a unidade de gestão do motor adaptando o tamanho da câmara de combustão ao ar combustível ideal mistura.
Além disso, essa variabilidade deve permitir que motores de pistão livre funcionem com qualquer coisa, desde hidrogênio até gás natural. Na verdade, eu não ficaria surpreso se um desses motores funcionasse com uísque single malt.
- 1. A sala de controle do Laboratório FKLG no DLR Institute of Vehicle Concepts (Fonte: DLR)
- 2. Bateria descarregada? – O gerador linear de pistão livre atua como extensor de autonomia, fornecendo a energia elétrica necessária aos veículos elétricos (Fonte: DLR)
Todas essas qualidades tornam o motor de pistão livre ideal como gerador integrado, função que pode revolucionar o design do trem de força.
Sério, quando posso conseguir um?
Até agora, dois protótipos de motores de pistão livre estão em desenvolvimento. O primeiro, sem surpresa, vem de cientistas/mágicos das trevas alemães do Centro Aeroespacial Alemão (DLR).
O seu protótipo, apelidado de “Freikolbenlineargenerator”, que não tenho a certeza se é uma prova de que os alemães têm sentido de humor ou não, ainda está nas fases iniciais de desenvolvimento. No entanto, apesar disso, promete proporcionar o tipo de desempenho com que outros engenheiros de motores só podem sonhar.
O motor da Toyota seria capaz de gerar 15 cavalos de potência a partir de um pacote de 20 centímetros de diâmetro e 60 centímetros de comprimento.
O gerador linear Freikolben usa cilindros voltados um para o outro. Esta orientação do pistão permite que ele seja ainda mais compacto do que os motores de pistão livre típicos. Isso o torna perfeito para uso como extensor de alcance.
Tomemos por exemplo o Chevy Volt. Possui baterias e é capaz de funcionar exclusivamente com eletricidade. Mas quando as baterias ficam descarregadas, ele tem um motor a gasolina de 1,4 litros que pode recarregá-las e impulsionar o carro acima de 65 mph. Isso funciona bem, mas infelizmente mesmo os motores a gás de pequena cilindrada são volumosos, pesados e caros.
O gerador Freikolbenlinear pode realizar o mesmo trabalho, embora seja pequeno o suficiente para ser montado sob o piso de um carro, o que economiza espaço para outras coisas como couve, digamos.
Mas um motor milagroso na bancada de um cientista louco teutônico está muito longe da produção real, certo?
Bem, a Toyota também está a bordo. Neste verão, a enorme montadora japonesa anunciou seu próprio motor de pistão gratuito ou “gerador linear”. A versão Toyota usa um único cilindro em vez de um par oposto, e é capaz de atingir 42% de eficiência térmica sob operação constante condições. Isso é melhor do que qualquer motor de produção é capaz de alcançar – mesmo que momentaneamente, sob condições ideais.
O motor da Toyota seria capaz de gerar 15 cavalos de potência a partir de um pacote de 20 centímetros de diâmetro e 60 centímetros de comprimento. Dois destes seriam provavelmente mais do que suficientes para recarregar as baterias num veículo moderno com autonomia alargada, com enorme espaço e poupança de energia. A tecnologia alemã é incrível, mas o motor da Toyota poderá estar no Prius em breve.
Conclusão
A eletricidade pura – ou possivelmente o hidrogénio – ainda é quase certamente a futura fonte de energia a longo prazo para os automóveis. No entanto, nenhuma dessas tecnologias está totalmente pronta. A eletricidade chega perto, mas ainda é demasiado cara para a maioria dos consumidores americanos, para não falar dos literalmente milhares de milhões de consumidores chineses e indianos que aspiram a possuir um carro.
Os motores de pistão livre podem ser uma tecnologia de ponte crítica que pode melhorar drasticamente a eficiência da combustão interna. Eles também podem ter uma vida útil mais longa do que as formas tradicionais de combustão interna, graças à sua capacidade de queimar quase qualquer coisa inflamável... Estou olhando para vocês, trapos oleosos.
Se gigantes da indústria como a Toyota decidirem apostar na tecnologia, ela poderá estar em carros de produção muito em breve. Vamos torcer.
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